JPH10303470A - 熱電冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電冷却装置において、チップズレを起こさ
ず、性能が良好であり、かつ信頼性も向上させること。 【解決手段】 ｐ型熱電半導体４ａ、４ｂ、４ｃと、ｎ
型熱電半導体５ａ、５ｂ、５ｃと、ｐ型熱電半導体４
ａ、４ｂ、４ｃ及びｎ型熱電半導体５ａ、５ｂ、５ｃと
が半田６により半田接合された電極３ａ−１、３ａ−
２、３ａ−３、３ａ−４、３ｂ−１、３ｂ−２、３ｂ−
３とを備えた熱電冷却装置１００において、電極３ａ−
２、３ａ−３、３ｂ−１、３ｂ−２、３ｂ−３の表面に
は凹部７が形成されていることを特徴とする熱電冷却装
置としたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電冷却素子を用いた
熱電冷却装置に関するものであり、特に、熱電冷却装置
内の電極形状に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】電気エネルギーを熱エネルギーに変換
し、冷熱を発生する熱電冷却装置において、熱電冷却装
置内の熱電冷却素子を形成する熱電半導体チップと電極
との半田付けは、相対向する電極のそれぞれの対向面に
半田を塗布し、その間に熱電半導体チップを挟み込み、
この状態で加熱して半田を溶融させ、さらに冷却するこ
とにより半田付けを完了させていた。しかし、この方法
では、加熱して半田が溶融したときに熱電半導体チップ
が半田の表面張力により移動し、チップズレ不良を起こ
すという問題があった。

【０００３】これを解決するために、特開平３−２２５
９７３号公報に記載されたものでは、図１２に示す如く
電極５１の中間部分５１ａを狭くし、溶融半田による表
面張力が電極５１における熱電素子接合部の中心に向け
て働くように構成し、熱電素子５２、５３を図示矢印方
向に移動させて正規の位置に固定することができるよう
にしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法では溶融半田の余剰部分が逃げる場所が少なく、そ
の結果、図１１に示すように熱電半導体チップ間に余分
な半田がたまってしまう。このように熱電半導体チップ
間に半田がたまると、熱電半導体チップの側部から半田
が拡散されたり、加熱溶融半田の熱により熱電半導体チ
ップに熱応力が発生したりして、熱電半導体の性能低
下、熱電冷却装置の信頼性の低下につながるという問題
点がある。

【０００５】故に、本発明は、上記実情に鑑みてなされ
たものであり、熱電冷却装置において、チップズレを起
こさず、性能が良好であり、かつ信頼性も向上させるこ
とを技術的課題とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、請求項１において講じた発明は、ｐ型熱電半
導体と、ｎ型熱電半導体と、前記ｐ型熱電半導体及び前
記ｎ型熱電半導体とが半田付けにより接合された電極と
を備えた熱電冷却装置において、前記電極の表面には凹
部が形成されていることを特徴とする熱電冷却装置とし
たことである。

【０００７】上記発明によれば、熱電冷却装置に使用さ
れる電極には凹部が形成されているので、ｐ型熱電半導
体及びｎ型熱電半導体を半田付けにより電極に半田接合
する際に、余剰の半田が加熱溶融時に凹部に流れる。こ
のため熱電半導体の近傍に半田のたまりができず、溶融
半田の表面張力が熱電半導体にほとんど作用しなくなる
とともに、半田成分が熱電半導体内に拡散することを防
止でき、さらに半田の熱が熱電半導体に伝達されて熱応
力が発生することもなくなるものである。

【０００８】また、上記技術的課題を解決するに当た
り、請求項２の発明において講じたように、前記凹部は
前記ｐ型熱電半導体が前記電極に接合される部位と前記
ｎ型熱電半導体が前記電極に接合される部位との間に形
成されることが好ましい。これによれば、凹部はｐ型熱
電半導体が電極に接合される部位とｎ型熱電半導体が電
極に接合される部位との間に形成されているので、ｐ型
熱電半導体及びｎ型熱電半導体を半田付けにより電極に
半田接合する際に、余剰の半田が凹部の両側から凹部へ
と流れる。つまり、ｐ型熱電半導体を接合するときに使
用する半田の余剰分とｎ型熱電半導体を接合するときに
使用する半田の余剰分とを同一の凹部に流すことができ
る。これにより、限られた電極スペースを有効に使用す
ることができ、装置全体のコンパクト化を図ることがで
きる。

【０００９】電極への凹部の形成方法としては、プレス
により電極に凹部を形成する方法、エッチング等の化学
的処理により凹部を形成する方法等が挙げられる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施の形態を
図面に基づいて説明する。

【００１１】（第１実施形態例）図１は第１実施形態例
における熱電冷却装置の全体斜視図である。

【００１２】図において、熱電冷却装置１００は対向し
て配置された基板１、２を備える。基板１、２は、例え
ばアルミナセラミックス基板よりなる。基板２の下面に
は所定形状にパターニングされた銅電極３ａが配置され
ている。同様に、基板１の下面にも所定形状にパターニ
ングされた図示せぬ銅電極３ｂが配置されている。基板
２の上に配置された一枚の銅電極３ａと基板１の下面に
配置された図示せぬ一枚の銅電極３ｂとは部分的に対向
しており、この対向部分にｐ型熱電半導体チップ４また
はｎ型熱電半導体チップ５が介在して両電極を導通関係
としている。尚、図示符号１１は、熱電冷却装置１００
に電流を供給するためのリード線である。

【００１３】図２は熱電冷却装置の概略断面図である。

【００１４】図において、基板２の図示右端に配置され
た銅電極３ａ−１の表面には、ｐ型熱電半導体チップ４
ａの一端が半田６により半田接合されている。ｐ型熱電
半導体チップ４ａの他端は基板２に配置した銅電極３ｂ
−１に半田６により半田接合されている。銅電極３ｂ−
１にはさらにｎ型熱電半導体チップ５ａの一端と半田６
により半田接合されており、このｎ型熱電半導体チップ
５ａの他端は基板２側の銅電極３ａ−２とやはり半田６
により半田接合されている。以下同様に、ｐ型熱電半導
体チップ４ｂの一端が銅電極３ａ−２に、他端が銅電極
３ｂ−２に、ｎ型熱電半導体チップ５ｂの一端が銅電極
３ｂ−２に、他端が銅電極３ａ−３に、ｐ型熱電半導体
チップ４ｃの一端が銅電極３ａ−３に、他端が銅電極３
ｂ−３に、ｎ型熱電半導体チップ５ｃの一端が銅電極３
ｂ−３に、他端が銅電極３ａ−４に、それぞれ半田６に
より半田接合されている。

【００１５】本例における熱電冷却装置の基本構成は上
記説明の如きなので、通電した場合に各銅電極間に介設
されているｐ型熱電半導体チップとｎ型熱電半導体チッ
プとに順番に電流が流れ、ペルチェ効果により一方の基
板側で発熱を、他方の基板側で吸熱を行うものである。

【００１６】銅電極３ａ−２、３ａ−３、３ｂ−１、３
ｂ−２、３ｂ−３、即ち、ｐ型熱電半導体チップとｎ型
熱電半導体チップとが両方とも半田接合された電極に
は、凹部７がそれぞれ形成されている。この凹部７は、
本例においては、ｐ型熱電半導体チップが電極に接合さ
れる部位とｎ型熱電半導体チップが電極に接合される部
位との間の電極中央部に形成されている。

【００１７】本例における熱電冷却装置はこのように所
定の銅電極に凹部７が形成されているので、熱電半導体
チップ４、５を半田付けにより銅電極に接合する際に余
分な半田が凹部７に流れ込み、熱電半導体チップの側面
が余分な半田に接触することはない。このため、半田成
分が熱電半導体チップ４、５の側面から拡散して熱電半
導体チップ４、５の熱電性能が劣化することを防止でき
るとともに、熱電半導体チップ４、５が半田の表面張力
により移動することがなく、さらに、半田の熱応力も受
けることがないものである。

【００１８】さらに、本例における熱電冷却装置１００
は、銅電極に形成されている凹部７がｐ型熱電半導体チ
ップ４が銅電極に接合される部位とｎ型熱電半導体チッ
プ５が銅電極に接合される部位との間の電極中央部に形
成されているので、ｐ型熱電半導体チップ４を半田接合
する際に発生する余剰半田とｎ型熱電半導体チップ５を
半田接合する際に発生する余剰半田とが、同一の凹部７
に両側から流れこむ。このため、限られた電極スペース
を有効に使用することができ、装置全体のコンパクト化
を図ることができるものである。

【００１９】次に、本例における熱電冷却装置の製造方
法について説明する。

【００２０】まず、周知の方法で、図３に示されるよう
に銅電極３ａ−１〜３ａ−４が任意にパターニングされ
た基板２を作成した。ここでは、基板材質がアルミナセ
ラミックスで、電極が厚さ０．３ｍｍの銅を用いたＤＢ
Ｃ（ダイレクト・ボンディング・サーキット）基板を使
用した。次に、図４に示すように凹部を形成すべき銅電
極（３ａ−２、３ａ−３）上の、凹部を形成しない部分
にレジストインク８を塗布した。次に、周知の方法でエ
ッチング処理を施し、その後にレジストインク８を除去
することにより、図５に示すように所定の銅電極に凹部
７を形成した。

【００２１】同様に、図２に示す基板１及びそれに配置
された電極３ｂ−１〜３ｂ−３に対しても上記説明した
処理を施し、所定の電極に凹部を形成した。

【００２２】次に、各電極の凹部以外のところにスクリ
ーン印刷にてクリーム半田を塗布し、熱電半導体チップ
を所定の順序で電極上に配置した。そして、熱電半導体
チップを両側から電極で挟み込んだ状態でプレートヒー
タ等の加熱手段により加熱し、半田を溶融させた。この
とき半田の溶融部分が電極に形成された凹部７に流れ込
み、この凹部７に滞留した。この状態で冷却して半田を
固化させ、半田接合を完了し、図２に示すような熱電冷
却装置１００を製造した。

【００２３】（第２実施形態例）次に、第２実施形態例
について説明する。

【００２４】図６は、本例における熱電冷却装置２００
の全体斜視図であり、図７は、断面概略図である。図６
と図１を比較して明らかなように、本例の熱電冷却装置
２００は第１実施形態例で説明した熱電冷却装置１００
（図１参照）から上下の基板を除いた構成であり、その
他の部分は同一である。従って、本例についての個々の
構成について、第１実施形態例と同一部分に同一符号を
付し、その具体的説明は省略する。

【００２５】以下、本例における熱電冷却装置２００の
製造方法について説明する。

【００２６】まず、厚さ０．５ｍｍの銅板９を周知のプ
レス法で打ち抜き、図８に示すような電極３を作製し
た。次に、電極３のうち、図７の電極３ａ−２、３ａ−
３に対応する電極を、同じく周知のプレス法で、図９に
示されるように変形させ、凹部７を形成した。このよう
にして作製した電極３ａ−１〜３ａ−４を、図１０に示
されるように両面テープ１１にてアルミ基板２上に電極
パターンとなるように配列させた。

【００２７】同様に、図７に示す基板１及びそれに配置
された電極３ｂ−１〜３ｂ−３に対しても上記説明した
処理を施し、各電極に凹部７を形成した。

【００２８】次に、第１実施形態例と同様にスクリーン
印刷にて電極の所定部分にクリーム半田を塗布し、熱電
半導体チップを配して加熱し、半田を溶融させた。この
とき半田の溶融部分が電極に形成された凹部７に流れ込
み、この凹部７に滞留した。この状態で冷却して半田を
固化させ、半田接合を完了させた。その後、両面テープ
８を剥がして図６に示すような熱電冷却装置２００を製
造した。

【００２９】（比較例）比較例における熱電冷却装置の
概略断面図を図１１に示す。この熱電冷却装置３００
は、第１実施形態例と同様な方法で作製したものであ
り、第１実施形態例と同一部分については同一符号で示
した。ただし、電極３ａ−１〜３ａ−４、３ｂ−１〜３
ｂ−３についてはエッチング処理を施しておらず、フラ
ットな形状のものを使用した。図１１よりわかるよう
に、比較例においては電極に凹部が設けられていないの
で、電極と熱電半導体チップを半田接合する際の余剰半
田が熱電半導体チップ間に溜まっているものである。

【００３０】上記、第１実施形態例、第２実施形態例、
比較例で説明した方法により製造した熱電冷却装置にお
いて、チップズレ不良数と、冷熱衝撃試験による信頼性
を評価した。ここで、チップズレ不良は、熱電半導体チ
ップが隣接する電極と接触しているものを不良とした。
また、冷熱衝撃試験は、−５０℃の雰囲気温度内に１時
間放置し、次いで１２０℃の雰囲気温度内に１時間放置
することを１サイクルとし、これを２００サイクル実施
した前後の、熱電冷却装置の内部抵抗の変化が１０％以
下のものを合格とした。

【００３１】評価結果を表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１より明らかなように、第１実施形態
例、第２実施形態例の熱電冷却装置、つまり、電極に凹
部が形成されたものを用いた熱電冷却装置は、チップズ
レ不良数が皆無であり、一方、比較例の熱電冷却装置、
つまり、電極に凹部が形成されていないフラットなもの
を用いた熱電冷却装置は、チップズレ不良数が２０個中
８個もあった。これにより、本例における熱電冷却装置
は、チップズレ不良を起こさず、製造歩留りが極めて良
いことがわかる。また、第１実施形態例、第２実施形態
例の熱電冷却装置は、冷熱衝撃試験での不合格数も皆無
であり、一方、比較例の熱電冷却装置は冷熱衝撃試験で
の不合格数が全体の半数以上（１６／２０）である。こ
れにより、本例における熱電冷却装置は、信頼性も非常
に良好なことがわかる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明は、チップズレを
起こさず、性能が良好であり、かつ信頼性も向上した熱
電冷却装置とすることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態例における熱電冷却装置
の全体斜視図である。

【図２】本発明の第１実施形態例における熱電冷却装置
の断面概略図である。

【図３】本発明の第１実施形態例における熱電冷却装置
の製造方法を示す図であり、基板に電極をパターニング
した工程を示す。

【図４】本発明の第１実施形態例における熱電冷却装置
の製造方法を示す図であり、電極の所定位置にレジスト
インクを塗布する工程を示す。

【図５】本発明の第１実施形態例における熱電冷却装置
の製造方法を示す図であり、所定の電極に凹部が形成さ
れる工程を示す図である。

【図６】本発明の第２実施形態例における熱電冷却装置
の全体斜視図である。

【図７】本発明の第２実施形態例における熱電冷却装置
の断面概略図である。

【図８】本発明の第２実施形態例における熱電冷却装置
の製造方法を示す図であり、電極を作製する工程を示す
図である。

【図９】本発明の第２実施形態例における熱電冷却装置
の製造方法を示す図であり、所定の電極に凹部を形成す
る工程を示す図である。

【図１０】本発明の第２実施形態例における熱電冷却装
置の製造方法を示す図であり、両面テープにより電極と
基板を貼りつける工程を示す図である。

【図１１】比較例における熱電冷却装置の断面概略図で
ある。

【図１２】従来技術における熱電冷却装置の電極形状を
示す図である。

【符号の説明】

１、２・・・基板 ３、３ａ、３ｂ、３ａ−１、３ａ−２、３ａ−３、３ａ
−４、３ｂ−１、３ｂ−２、３ｂ−３・・・銅電極（電
極） ４、４ａ、４ｂ、４ｃ・・・ｐ型熱電半導体チップ（ｐ
型熱電半導体） ５、５ａ、５ｂ、５ｃ・・・ｎ型熱電半導体チップ（ｎ
型熱電半導体） ６・・・半田 ７・・・凹部 １００、２００、３００・・・熱電冷却装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型熱電半導体と、ｎ型熱電半導体と、
   前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体とが半田付
   けにより接合された電極とを備えた熱電冷却装置におい
   て、前記電極の表面には凹部が形成されていることを特
   徴とする熱電冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記凹部は前記ｐ型
   熱電半導体が前記電極に接合される部位と前記ｎ型熱電
   半導体が前記電極に接合される部位との間に形成される
   ことを特徴とする熱電冷却装置。